第三章 纳米材料基本的物理效应_PPT课件
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δ正比于V-1(1/d3)
对于宏观物体包含无限个原子： 导电电子数N →∞， δ →0 即 对于大粒子或宏观物体能级间距几乎为0
对于纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导 致为一定的值，即能级间距发生分裂。
当能级间距大于热能、电场能或者磁场能 时，这时必须考虑量子尺寸效应，且会导 致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导 性与宏观物体截然不同的反常特性。例如， 导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体， 光谱线会产生向短波长方向的移动。
粒径(nm)
2 nm 5nm 10nm 100nm
原子总数Ｎ
350 4000 30000 3×106
表面原子百分数 86 40 20
2
比表面积(m2/g) 450 180 90
9
表 100
面
原 80
子比 数例
60
相（ 对
%
40
总）
原 20
子 数0
0 10 20 30 40 50
• 由于表面原子数增多 , 原子配位不足及高的表 面能 , 使这些表面原子 具有高的活性 , 极不稳 定 , 很容易与其他原子 结合。例如金属的纳米 粒子在空气中会燃烧 , 无机的纳米粒子暴露在
• 一、小尺寸效应 • 二、表面效应 • 三、量子尺寸效应 • 四、宏观量子隧道效应 • 五、库仑堵塞与量子隧穿 • 六、介电限域效应
一、小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件 下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺 寸变小所引起的宏观物理性质的变化称 为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸 变小，同时其比表面积亦显著增加，从 而产生如下一系列新奇的性质。
四、宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因 此存在隧道效应。隧道效应是基本的量 子现象之一，即当微观粒子的总能量小 于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势 垒。近年来，人们发现一些宏观物理量， 如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中 的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为 宏观的量子隧道效应。
• 宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重 要意义。 它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极 限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件 的基础, 或者它确立了现存微电子器 件进一步微型化 的极限。当微电子器件进一步细微化时 , 必须要考虑 上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时， 当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应 而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限 尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。
具有黄色的光谱线。由
无数的原子构成固体时，
单独原子的能来自百度文库就并合
成能带，由于电子数目
很多，能带中能级的间
距很小，因此可以看作
是连续的，从能带理论
出发成功地解释了大块
金属、半导体、绝缘体
之间的联系与区别。
原子
固体 固体能级填充 纳米晶
能带理论表明，金属费米面附近电子能级一般是连续的， 这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有 有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的， 根据久保提到能级间距与费米能级和金属颗粒直径的关 系:
研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是 由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的 粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属---陶瓷等复合纳米材料，其 应用前景十分宽广。
二、表面效应
• 纳米微粒尺寸小 , 表面能高 , 位于表面的原子占相当大的比 例。随着粒径减小 , 表面原子 数迅速增加。这是由于粒径 小 , 表面积急 剧变大所致。
空气中会吸附气体 , 并 与气体进行反应。
三、量子尺寸效应
• 当粒子尺寸下降到某一值时 , 金属费米 能级附近的电子能级由准连续变为离散 能级的现象以及纳米半导体微粒存在不 连续的最高被占据分子轨道和最低未被 占据的分子轨道能级而使能隙变宽现象 均称为量子尺寸效应。
各种 元 素 的 原 子 具 有特 原子、大块晶体、和纳米晶的能态 定的光谱线，如钠原子
（4）特殊的力学性质
由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应,1克纳米材 料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其 强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的 毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 12级台风有也吹不掉它。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而 由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一 样具有良好的韧性。
（1） 特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有 的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小， 颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属 铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反 射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就 能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光 热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转 变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感 元件、红外隐身技术等。
• 如果两个量子点通过一个“结”连接起来, 一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一 个量子点上的行为称作量子隧穿。
electron
• 有人估计,如果量子点的尺寸为1nm左右, 我们可 以在室温下观察到上述效应.当量子点尺寸在十几 纳米范围, 观察上述效应必须在液氮温度下.原因 很容易理解, 体系的尺寸越小,电容C越小,e2/2C越 大,[(e2/2C)>kT] 这就允许我们在较高温度下进行 观察.利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一 代的纳米结构器件, 如单电子晶体管和量子开关 等.
五、库仑堵塞与量子隧穿
• 库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重 要的物理现象之一。
• 当体系的尺度进入到纳米级 (一般金属粒子为几个纳米 , 半导体粒子为几十纳米 ), 体系是电荷 “量子化 ” 的 , 即 充电和放电过程是不连续的, 充入一个电子所需的能量 Ec 为 e2/2C,e 为一个电子的电荷,C为小体系的电容, 体系越 小,C 越小, 能量Ec 越大.我们把这个能量称为库仑堵塞能 . 换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑 排斥能, 这就导致了对一个小体系的充放电过程, 电子不能 集体传输, 而是一个一个单电子的传 输.通常把小体系这种 单电子输运行为称库仑堵塞效应
对于宏观物体包含无限个原子： 导电电子数N →∞， δ →0 即 对于大粒子或宏观物体能级间距几乎为0
对于纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导 致为一定的值，即能级间距发生分裂。
当能级间距大于热能、电场能或者磁场能 时，这时必须考虑量子尺寸效应，且会导 致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导 性与宏观物体截然不同的反常特性。例如， 导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体， 光谱线会产生向短波长方向的移动。
粒径(nm)
2 nm 5nm 10nm 100nm
原子总数Ｎ
350 4000 30000 3×106
表面原子百分数 86 40 20
2
比表面积(m2/g) 450 180 90
9
表 100
面
原 80
子比 数例
60
相（ 对
%
40
总）
原 20
子 数0
0 10 20 30 40 50
• 由于表面原子数增多 , 原子配位不足及高的表 面能 , 使这些表面原子 具有高的活性 , 极不稳 定 , 很容易与其他原子 结合。例如金属的纳米 粒子在空气中会燃烧 , 无机的纳米粒子暴露在
• 一、小尺寸效应 • 二、表面效应 • 三、量子尺寸效应 • 四、宏观量子隧道效应 • 五、库仑堵塞与量子隧穿 • 六、介电限域效应
一、小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件 下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺 寸变小所引起的宏观物理性质的变化称 为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸 变小，同时其比表面积亦显著增加，从 而产生如下一系列新奇的性质。
四、宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因 此存在隧道效应。隧道效应是基本的量 子现象之一，即当微观粒子的总能量小 于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势 垒。近年来，人们发现一些宏观物理量， 如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中 的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为 宏观的量子隧道效应。
• 宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重 要意义。 它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极 限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件 的基础, 或者它确立了现存微电子器 件进一步微型化 的极限。当微电子器件进一步细微化时 , 必须要考虑 上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时， 当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应 而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限 尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。
具有黄色的光谱线。由
无数的原子构成固体时，
单独原子的能来自百度文库就并合
成能带，由于电子数目
很多，能带中能级的间
距很小，因此可以看作
是连续的，从能带理论
出发成功地解释了大块
金属、半导体、绝缘体
之间的联系与区别。
原子
固体 固体能级填充 纳米晶
能带理论表明，金属费米面附近电子能级一般是连续的， 这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有 有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的， 根据久保提到能级间距与费米能级和金属颗粒直径的关 系:
研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是 由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的 粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属---陶瓷等复合纳米材料，其 应用前景十分宽广。
二、表面效应
• 纳米微粒尺寸小 , 表面能高 , 位于表面的原子占相当大的比 例。随着粒径减小 , 表面原子 数迅速增加。这是由于粒径 小 , 表面积急 剧变大所致。
空气中会吸附气体 , 并 与气体进行反应。
三、量子尺寸效应
• 当粒子尺寸下降到某一值时 , 金属费米 能级附近的电子能级由准连续变为离散 能级的现象以及纳米半导体微粒存在不 连续的最高被占据分子轨道和最低未被 占据的分子轨道能级而使能隙变宽现象 均称为量子尺寸效应。
各种 元 素 的 原 子 具 有特 原子、大块晶体、和纳米晶的能态 定的光谱线，如钠原子
（4）特殊的力学性质
由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应,1克纳米材 料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其 强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的 毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 12级台风有也吹不掉它。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而 由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一 样具有良好的韧性。
（1） 特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有 的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小， 颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属 铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反 射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就 能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光 热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转 变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感 元件、红外隐身技术等。
• 如果两个量子点通过一个“结”连接起来, 一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一 个量子点上的行为称作量子隧穿。
electron
• 有人估计,如果量子点的尺寸为1nm左右, 我们可 以在室温下观察到上述效应.当量子点尺寸在十几 纳米范围, 观察上述效应必须在液氮温度下.原因 很容易理解, 体系的尺寸越小,电容C越小,e2/2C越 大,[(e2/2C)>kT] 这就允许我们在较高温度下进行 观察.利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一 代的纳米结构器件, 如单电子晶体管和量子开关 等.
五、库仑堵塞与量子隧穿
• 库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重 要的物理现象之一。
• 当体系的尺度进入到纳米级 (一般金属粒子为几个纳米 , 半导体粒子为几十纳米 ), 体系是电荷 “量子化 ” 的 , 即 充电和放电过程是不连续的, 充入一个电子所需的能量 Ec 为 e2/2C,e 为一个电子的电荷,C为小体系的电容, 体系越 小,C 越小, 能量Ec 越大.我们把这个能量称为库仑堵塞能 . 换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑 排斥能, 这就导致了对一个小体系的充放电过程, 电子不能 集体传输, 而是一个一个单电子的传 输.通常把小体系这种 单电子输运行为称库仑堵塞效应